Odnawialna energia pierwotna – system oceny z przyszłością

Konieczna do wprowadzenia zmiana w zakresie energetyki stawia nas na drodze ku przyszłości, w której wykorzystywane będą już tylko odnawialne źródła energii.

Aktualne systemy oceny zapotrzebowania energetycznego budynków dostosowane są do tradycyjnych systemów zaopatrywania w energię i w przyszłych strukturach zaopatrzenia już nie będą działać.

Już tylko energia odnawialna!

Z tego powodu w Instytucie Domów Pasywnych "PHI – Darmstadt"  stworzono nowy, przyszłościowy system oceny, który dodatkowo oferuje ocenę wytwarzania odnawialnej energii: nowy schemat oceny wyprzedził przełom energetyczny i traktuje oceniany budynek tak, jakby znajdował się on w świecie, w którym wykorzystuje się już wyłącznie energię odnawialną. Wiatr, słońce i woda dostarczają prąd pierwotny.

Część tego prądu może być wykorzystywana bezpośrednio, ponieważ wytwarzanie i wykorzystywanie odbywają się równolegle w czasie. Ponadto w fazach wysokiej podaży energii istnieją nadwyżki, podczas gdy w innych okresach nie jest dostępna wystarczająca ilość energii.

Konieczne będzie magazynowanie

Zasobniki będą dostarczać prąd wtórny. W modelu Instytutu Domów Pasywnych istnieją zasobniki długo- i krótkoterminowe. Wszystkie wykazują straty.  W krótkoterminowych  (np. elektrownie szczytowo-pompowe) straty są niewielkie, wynoszą ok. 20-30%, w długoterminowych (z prądu wytwarza się metan, który w razie potrzeby można zamienić znowu na prąd) są one bardzo duże, bo wynoszą ok. 60%.

Straty te można w części w postaci ciepła wykorzystać do ogrzewania albo podgrzewania ciepłej wody. W zależności od rodzaju wykorzystania udziały energii pierwotnej i wtórnej są różne. Tym samym zmieniają się tez straty w łańcuchu produkcji energii i tak zwane współczynniki PER (stosunek energii wytwarzanej ze źródeł odnawialnych do zapotrzebowania energetycznego budynku, niem. Primärenergie ERneuerbar).  Współczynniki pokazują pewną zależność od lokalizacji. Wymieniane w dalszej części wartości współczynnika są obowiązujące dla Europy Środkowej.

Im wyższy udział prądu pierwotnego, tym niższa wartość PER

Prąd dla gospodarstwa domowego na przykład ma względnie duży udział prądu pierwotnego, ponieważ zapotrzebowanie w ciągu roku jest dosyć stałe i wytwarzanie energii można dosyć dobrze dopasować do tego równomiernego zapotrzebowania. Tym samym wartość PER wynosząca dla prądu dla gospodarstwa domowego 1,30 jest względnie niska. Ogrzewanie trzeba uruchamiać tylko zimą. Aby mieć wówczas dostateczną ilość energii, trzeba pozyskiwać prąd po części latem i magazynować go ze stratami do zimy. Wartość PER dla prądu wykorzystywanego do ogrzewania wynosi 1,80 i jest względnie wysoka. 

Jest więc szczególnie ważne, żeby zwłaszcza zimą zużywać możliwie mało energii. Jednakże w przypadku prądu na ogrzewanie bezpośrednia ilość prądu jest  znacząca i kto używa prądu do pompy ciepła, która przy jednej części prądu może wytworzyć trzy części ciepła, dysponuje bardzo efektywnym systemem wytwarzania ciepła. Kto ogrzewa odnawialnym metanem, musi całość energii do ogrzewania pozyskiwać z nieefektywnego zasobnika długoterminowego. W przyszłości nie będzie to system godny polecenia, wartość PERdla metanu wynosi 1,75.

Rysunek: system odnawialnej energii pierwotnej

Ocena wytwarzanej przy budynku energii w systemie PER

Wytwarzanie i zapotrzebowanie pozostają oddzielone

Prąd, który jest na przykład wytwarzany przez instalację fotowoltaiczną na dachu budynku,  jest prądem pierwotnym z wartością współczynnika PER wynoszącą 1,0. Jest dostarczany do sieci i w Pakiecie Projektowym dla Domu Pasywnego PHPP nie jest rozliczany w stosunku do zapotrzebowania energetycznego budynku, nawet wtedy, jeśli zasobnik na energię znajduje się w budynku. Rachunek zapotrzebowania jest przeprowadzany poprzez model PER. 

Bezpośrednie zaliczenie prądu wytworzonego na przykład latem przez instalację fotowoltaiczną  na potrzebną do ogrzewania zimą energię nie jest prawidłowe,  ponieważ ta wytworzona latem energia może być przetransportowana do zimy tylko z dodatkowymi stratami związanymi z długofalowym magazynowaniem. Projektowanie budynków prowadzi więc do błędnej optymalizacji, jeśli tego nie uwzględnimy. Nowy system odnawialnej energii pierwotnej zaś od razu oferuje możliwość optymalizacji przyszłościowego budynku. Efekty znajdujących się ewentualnie w budynku zasobników są pokrywane przez wartość PER pobieranego prądu.

Wytwarzanie prądu odnosi się do powierzchni zajmowanej przez budynek

Często zapotrzebowanie energetyczne i wytwarzanie energii odnosi się do powierzchni użytkowej lub mieszkalnej budynku. W takim wypadku pojawia się następujący efekt: budynek może dzięki instalacji fotowoltaicznej na swoim dachu wytworzyć określoną ilość energii. Im więcej pięter  (i tym samym więcej powierzchni mieszkalnej) ma budynek, tym mniejsza jest produkcja energii na m² powierzchni mieszkalnej lub użytkowej.

Dzięki temu jednopiętrowe bungalowy są  uprzywilejowane w stosunku do szeregowców lub domów wielorodzinnych, mimo że bungalowy mają większe zużycie powierzchni działki i przyrody. Także taka ocena może prowadzić do błędnej optymalizacji.

Dlatego w tej nowej koncepcji stworzonej w Instytucie Domów Pasywnych odnosimy się do powierzchni zajmowanej przez budynek. Bungalowy i domy wielorodzinne będą więc w odniesieniu do wytwarzania energii oceniane tak samo. Dzieje się tak z następującego powodu: każdy budynek zajmuje jakąś powierzchnię, która nie jest już dostępna do innego wykorzystania.  Jeśli na tej powierzchni wytwarzany jest prąd, to powstaje wykorzystanie dodatkowe. Ocena dodatkowego wykorzystania pod kątem tej właśnie powierzchni jest tutaj właściwa. Ostatecznie słońce świeci na dach, a nie na powierzchnię użytkową na niższych piętrach.

Rysunek: odniesienie wytwarzanej energii do powierzchni mieszkalnej może prowadzić do błędnej optymalizacji

Rysunek: sensowniej jest odnieść wytworzoną energię do zabudowanej powierzchni, jaką zajmuje budynek

Nowe klasy domów pasywnych i co one oznaczają

Instytut Domów Pasywnych „ PHI-Darmstadt „ wprowadził nowe klasy domów pasywnych. Kryteria zapotrzebowania na ciepło i szczelności powietrznej pozostają niezmienione, na miejscu zapotrzebowania na energię pierwotną pojawia się zapotrzebowanie na odnawialną energię pierwotną (zapotrzebowanie PER), które pomaga ocenić budynek w scenariuszu, w którym nie będą już używane kopalne nośniki energii.

Na podstawie swojego zapotrzebowania PER i wytwarzania PER  domy pasywne zostały podzielone na klasy. Przy czym dom pasywny Classic jest budynkiem z łącznym zapotrzebowaniem na energię wynoszącym mniej niż  60 kWh/(m²a) PER. Dom pasywny Plus może potrzebować  ≤ 45 kWh/(m²a) PER i musi poza tym wytwarzać ≥ 60 kWh/(m²a) energii. Przy tym wytwarzanie to, jak opisano w broszurze informacyjnej  IG-Passivhaus 2015/4 część 2, odnosi się do zabudowanej powierzchni. Dom pasywny Premium jest klasą najbardziej ambitną. Tutaj zapotrzebowanie PER wynosi ≤ 30 kWh/(m²a), a wytworzyć trzeba ≥ 120 kWh/(m²a).

Rysunek: zapotrzebowanie i wytwarzanie  PER w relacji do klas domów pasywnych Classic, Plus i Premium

Wytwarzanie odnawialnej energii nie jest wymagane, by osiągnąć klasę domu pasywnego Classic. Ale jeśli energia będzie produkowana, to budynek z odpowiednią produkcją będzie mógł mieć zapotrzebowanie PER wynoszące maksymalnie 75 kWh na m² powierzchni pobierającej energię rocznie, a będzie zakwalifikowany jako dom pasywny Classic.

W pewnych granicach wyższe zapotrzebowanie na odnawialne energie pierwotne rekompensowane jest przez wyższą produkcję odnawialnej energii pierwotnej. Zasada ta dotyczy również klas Plusi Premium. Tutaj także mniejsza produkcja może zostać zrekompensowana poprzez zredukowane zapotrzebowanie.

Przykład: dom pasywny Freundorfer, Oberaudorf

Jednorodzinny dom pasywny Freundorfer  był w sytuacji wyjściowej ogrzewany przez ręcznie zasilany piec na drewno. Pracuje on w kombinacji z 6 m² instalacji solarnej z zasobnikiem buforowym na wodę ciepłą i ogrzewanie. Rozprowadzanie ciepła odbywa się poprzez nawiew.

Już w sytuacji wyjściowej budynek wykazujący zapotrzebowanie na ciepło wynoszące tylko 8 kWh/(m²a) i zapotrzebowanie PER42 kWh/(m²a)  jest wysoce efektywny. Po stronie zapotrzebowania osiąga on klasę domu pasywnego Plus Standard, ale wytwarzanie prądu przez instalację solarną jest zbyt małe. Jeśli na dotychczas  niewykorzystanych południowych częściach dachu umieszczona zostanie instalacja fotowoltaiczna, to ta przeszkoda zostanie pokonana.W celu optymalizacji do poziomu Premium potrzebna jest zmiana systemu ogrzewania.

Poprzez zastosowanie pompy ciepła powietrze-woda  zamiast pieca na drewno i instalację solarną można zaoszczędzić 11 kWh/(m²a) PER. W celu koniecznego podwyższenia produkcji energii można na powierzchniach ścian albo garażu umieścić instalację fotowoltaiczną. Alternatywą dla inwestora może być nowa instalacja wiatrowa. Dla powodzenia tej zmiany energetycznej ważne jest  dołączanie odnawialnych możliwości wytwarzania energii.

To, czy są one bezpośrednio powiązane z budynkiem ma dalsze znaczenie. Z tego względu można w tym rachunku energetycznym brać pod uwagę także energię odnawialną , która nie jest wytwarzana bezpośrednio na budynku, jak długo chodzi o nowe instalacje.

Ocena prądu w modelu PER: już dzisiaj dobry kierunek?

Rozwiązania z wykorzystaniem pomp ciepła mają przywileje w modelach energii odnawialnej, są najlepszą opcją dla ogrzewania i, abstrahując od małych termicznych instalacji solarnych, podgrzewania wody.

Często wątpi się jednak w to, że prąd, który dzisiaj pochodzi w większości ze źródeł nieodnawialnych, i przy którego wytwarzaniu uwalniane są spore ilości CO2, będzie w przyszłości dobrym i pewnym rozwiązaniem.

Te wątpliwości można na szczęście stosunkowo łatwo rozwiać.  Obecnie przy wytwarzaniu jednej kilowatogodziny prądu powstaje w Niemczech około 510 g ekwiwalentu CO2 . To jest miarą szkodliwości dla klimatu. Przy spalaniu oleju grzewczego jest to trochę ponad 300 g, dla gazu ziemnego to około 250 g. Jeśli prąd będzie stosowany do pompy ciepła z roczną liczbą równoważnych godzin pracy wynoszącą dwa, to to rozwiązanie już jest wyraźnie lepsze od wariantu z olejem grzewczym i prawie takie samo, jak gaz. Przy rocznej liczbie wynoszącej 3 już dzisiaj mamy bardzo wyraźną przewagę. A przewaga ta będzie się stale zwiększać wraz z rozwojem zmian w energetyce. Koncepcja PER nie tylko jest więc przyszłościowa, ale sprawdza się również już dzisiaj.

Rysunek: rozwój ekwiwalentu CO2 z gazu, oleju i prądu oraz odpowiednio dla pomp ciepła w różnych porach roku

Dr inż. Benjamin Krick

Instytut Domów Pasywnych